數(shù)字孿生技術(shù)在提高LPG回收率方面的應(yīng)用探索

石涵 郭偉 樊春明 岳彩利 王彬

一、引言

數(shù)字孿生是一種集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射、高保真度特性，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術(shù)手段。隨著數(shù)字孿生車間概念的提出，數(shù)字孿生在智能制造中的應(yīng)用潛力得到越來越多的關(guān)注。強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)監(jiān)控物理實(shí)體的變化，利用虛擬模型精確模擬物理實(shí)體，從而優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)的操作。石油化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要融合的關(guān)鍵技術(shù)包括：流程模擬技術(shù)、傳感和監(jiān)測技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)、數(shù)字孿生平臺技術(shù)等。

由于國內(nèi)的實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)起步較晚，目前還沒有成熟的商業(yè)化系統(tǒng)平臺誕生。國外成熟的商業(yè)化平臺有AspenTech公司的RT-OPT平臺和Schneider Electric公司的ROMeo平臺。實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)涉及的裝置主要在乙烯、常減壓、催化裂化和連續(xù)重整等煉油化工裝置，天然氣加工領(lǐng)域還未有實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)施的先例。

中海油某天然氣加工終端，設(shè)計(jì)加工能力66億立方米/年。天然氣外輸近50億立方米/年，液態(tài)產(chǎn)品銷售70余萬噸/年，是亞洲最大的天然氣處理終端。海上來氣經(jīng)過脫碳、脫水、制冷、分餾等工藝之后產(chǎn)出干氣、丙烷、丁烷、液化氣、穩(wěn)定輕烴、穩(wěn)定凝析油等產(chǎn)品。該終端由于海上來氣組成變化以及環(huán)境溫度變化等因素，LPG回收率仍有提升空間，本文將采用斯倫貝謝的數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行提高LPG回收率的有效途徑研究。

Process Advisor是斯倫貝謝公司開發(fā)的生產(chǎn)加工過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)，它結(jié)合了斯倫貝謝九十多年的油氣生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及最先進(jìn)的過程模擬技術(shù)平臺Symmetry。本文將使用Symmetry軟件特有的天然氣加工專用熱力學(xué)方法以及單元操作，首先利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立制冷單元及分餾單元的嚴(yán)格的機(jī)理型基礎(chǔ)模型，然后利用標(biāo)定數(shù)據(jù)對建立的基礎(chǔ)模型進(jìn)行整定，最后根據(jù)海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)確立裝置的實(shí)際生產(chǎn)模型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)裝置的實(shí)際模型、當(dāng)前的原料及產(chǎn)品價(jià)格，公用工程價(jià)格以及相關(guān)的設(shè)備制約條件，以LPG回收率為目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，尋找最佳操作條件，從而提高LPG回收率。

二、熱力學(xué)方法選擇

本文選擇Symmetry平臺特有的熱力學(xué)方法為Advanced Peng-Robinson for Natural Gas 2， 它是斯倫貝謝開發(fā)的天然氣加工專用的熱力學(xué)方法，包含了天然氣行業(yè)最新的科研成果，與其他熱力學(xué)方法相比，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。該熱力學(xué)方法已經(jīng)成為國際油氣加工協(xié)會推薦的方法。

本文建立的模型還能夠?qū)μ烊粴饧庸に枰奈镄裕ɡ鐭嶂怠⑷A白指數(shù)、露點(diǎn)、蒸汽壓等等）進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算；并能夠進(jìn)行干冰、天然氣水合物、結(jié)蠟等固體的形成預(yù)測，滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)約束需求。

三、數(shù)字孿生模型的開發(fā)

本文首先利用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立制冷單元及分餾單元的嚴(yán)格的機(jī)理型基礎(chǔ)模型（見圖1），然后利用標(biāo)定數(shù)據(jù)對建立的基礎(chǔ)模型進(jìn)行整定，最后根據(jù)海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)確立裝置的實(shí)際生產(chǎn)模型。

將操作工況模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明關(guān)鍵的工藝參數(shù)誤差小于5%，關(guān)鍵的操作溫度誤差<5℃，數(shù)字孿生模型與裝置實(shí)際運(yùn)行匹配度高，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化具有較高的可靠性。

四、數(shù)字孿生模型優(yōu)化器開發(fā)

（一）優(yōu)化目標(biāo)、操作變量和約束變量的選取

本天然氣處理終端的主要任務(wù)就是對海管來氣進(jìn)行脫水、脫二氧化碳處理，在確保天然氣熱值的前提下最大限度回收高附加值的LPG，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。因此本文的優(yōu)化目標(biāo)為最大化LPG回收率。

制冷單元以膨脹機(jī)減壓膨脹制冷為系統(tǒng)提供冷量，通過冷箱換熱調(diào)整各流道溫度，從而改變組份間的相對揮發(fā)度，從而實(shí)現(xiàn)分離提純。因此選取冷箱各流道的出口溫度為操作變量。脫乙烷塔將天然氣中的C2+成分與甲烷進(jìn)行分離，較低的塔釜溫度可以提高LPG的回收率，但是會使得液化烴中的甲烷含量升高，從而降低液化烴的飽和蒸汽壓，使得產(chǎn)品質(zhì)量不合格，過高的塔釜溫度會使得C2+成分進(jìn)入天然氣產(chǎn)品，從而降低LPG收率，降低裝置效益。因此選取脫乙烷塔塔釜溫度為操作變量，可以尋找最優(yōu)的塔釜操作溫度在確保液化烴飽和蒸汽壓合格的條件下最大化LPG回收率。

液化烴的飽和蒸汽壓及C2含量有明確的產(chǎn)品指標(biāo)要求，操作條件改變勢必要影響該指標(biāo)，因此將該指標(biāo)作為約束條件。

（二）優(yōu)化器開發(fā)

本文利用Symmetry軟件中的優(yōu)化工具開發(fā)工藝操作條件的自動優(yōu)化計(jì)算模型，本文設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)是LPG回收率最大化，根據(jù)先進(jìn)控制系統(tǒng)APC控制器設(shè)定和工藝原理設(shè)定的操作變量包括冷箱的出口溫度、脫乙烷塔的塔底溫度等，設(shè)定的約束條件是設(shè)備的約束條件以及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。優(yōu)化算法采用Nelder-Mead。詳細(xì)設(shè)置如圖2所示。

（三）優(yōu)化計(jì)算結(jié)果：

從圖3中可以看出，通過操作條件的優(yōu)化，裝置的LPG回收率可從93%提高到95%左右。按照干氣與LPG的差價(jià)計(jì)算，預(yù)計(jì)操作條件優(yōu)化后可取得經(jīng)濟(jì)效益上千萬元/年。

五、模型在線化

數(shù)字孿生技術(shù)是全流程優(yōu)化控制技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段最先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，其把最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程控制，在滿足各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的要求下，24小時(shí)不間斷的自動尋求使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的一組操作參數(shù)，對工藝參數(shù)進(jìn)行最佳設(shè)定，并在線下發(fā)給APC（先進(jìn)控制）生產(chǎn)系統(tǒng)，持續(xù)的將裝置推到最佳的操作狀態(tài)，本文通過OPC接口將DCS系統(tǒng)與數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過Python語言開發(fā)模型在線化實(shí)時(shí)控制序列程序，自動的定時(shí)將DCS數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生模型，并自動控制數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)處理，優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果輸出，以及各種安全邏輯判斷，確保系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行以及裝置安全運(yùn)行。

六、研究結(jié)論

本文利用斯倫貝謝的工藝加工數(shù)字孿生技術(shù)（Process Advisor）， 對某天然氣加工終端進(jìn)行在線化數(shù)字孿生技術(shù)探索實(shí)踐，建立了核心加工單元實(shí)際生產(chǎn)工況的嚴(yán)格機(jī)理性模型，進(jìn)行了提高LPG回收率的研究，研究結(jié)果表明通過優(yōu)化工藝操作條件，可以提高該終端的LPG回收率，并可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本套系統(tǒng)是國內(nèi)天然氣處理終端第一套在線化數(shù)字孿生系統(tǒng)，對其他天然氣處理終端數(shù)字化應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

作者單位：石涵、郭偉、樊春明 中海石油深海開發(fā)有限公司

岳彩利、王彬 斯倫貝謝科技服務(wù)（北京）有限公司